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地特四等申論題 107年 [水利工程] 水文學概要

第 一 題

📖 題組:
說明下列土壤物理特性:(每小題 5 分,共 20 分) (一)孔隙率(Porosity)。 (二)田間保水容量(Field Capacity)。 (三)凋萎點(Wilting Point)。 (四)土壤水分滲漏(Percolation)與土壤物理特性關係為何?
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

孔隙率(Porosity)。

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看到「孔隙率」,首先聯想其基本定義:「孔隙體積」與「總體積」的比值。答題時除了文字定義,務必寫出計算公式(n=Vv/Vt),並補充其在水文學上的實質意義(代表土壤最大容水量/飽和含水量極限),這樣才能拿到完整的名詞解釋分數。

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「孔隙率」(Porosity,常以符號 n 表示)指土壤內部「孔隙體積」(Vv)占「土壤總體積」(Vt)的比率,通常以百分比或小數表示。 公式為:n = (Vv / Vt) × 100%。 其水文物理意義與特徵包含:

小題 (二)

田間保水容量(Field Capacity)。

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看到「田間保水容量」,應立刻聯想到「重力水排乾後的狀態」。答題時需先精確定義其水分狀態與張力(約-1/3 atm),接著點出其在農業(植物可利用水分上限)與水文學(地下水補注的啟動點、土壤水分收支)上的工程應用意義。

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「田間保水容量(Field Capacity)」指土壤在充分飽和後,經過一段時間(通常為2至3天),受重力作用而使大孔隙中的重力水完全排出,土壤毛細孔隙所能保持的最大水分含量。 物理特徵包含:(1)此時土壤水張力約為 1/3 大氣壓(或 33 kPa);(2)保留在土壤中的水分主要為毛細水與吸著水。 實務應用為:在農業上,它代表植物可利用水分的上限(上限為田間保水容量,下限為凋萎點);在水文與防洪規劃上,當土壤含水量超過田間保水容量時,多餘的水分才會產生深部滲漏(Percolation)進而補注地下水,是計算土壤水分收支、入滲量及評估降雨-逕流關係的重要基準。

小題 (三)

凋萎點(Wilting Point)。

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看到「凋萎點」,首先點出其定義為植物無法再吸水而永久枯萎的臨界土壤含水率。接著補充物理機制(土壤水張力大於植物根系吸力,通常約15大氣壓),並連結水文應用,說明它與田間容水量的差值即為植物可利用的「有效水分」。

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「凋萎點(Wilting Point)」指當土壤含水量降低至植物根系無法再從土壤中克服張力吸收水分,導致植物發生永久性枯萎時的土壤含水率。 特徵包含:(1) 此狀態下的土壤水分張力極高,通常約為15大氣壓(15 atm或1500 kPa),大於植物根系的滲透吸水力。(2) 代表土壤中水分能被植物吸收利用的下限(基底值)。 實務應用為:在水文分析與農業灌溉工程中,「田間保水容量」與「凋萎點」之間的土壤水分差值稱為「有效水分(Available Water)」,是評估流域蒸散發量、估算土壤水文收支及制定灌溉計畫的重要參數。

小題 (四)

土壤水分滲漏(Percolation)與土壤物理特性關係為何?

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作答時應先定義「滲漏(Percolation)」是指重力水在土壤剖面中向下移動的過程,接著扣緊題目,條列說明它與前面小題提及的「孔隙大小」、「田間保水容量」及「土壤質地與結構」之間的物理連動關係。

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「土壤水分滲漏(Percolation)」指水分入滲至土壤表層後,受重力牽引在土壤剖面中持續向下移動,最終補注地下水層的過程。 其與土壤物理特性的關係主要包含: (1) 與孔隙率及孔隙大小的關係:滲漏速率不僅取決於總孔隙率,更關鍵的是「大孔隙(重力孔隙)」的比例。大孔隙越多,水分受毛細管張力束縛越小,滲漏越快(如砂土);若總孔隙率高但多為微小孔隙(如黏土),滲漏反而緩慢。

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